Antennes ULB pour les réseaux corporels sans fil et les applications RFID

27/08/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2013-5:19622
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Antennes ULB pour les réseaux corporels sans fil et les applications RFID

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REE N°5/2013 91 L’ULTRA LARGE BANDE IMPULSIONNELLE Christophe Roblin Institut Mines-Télécom, Télécom ParisTech - LTCI CNRS UMR 5141 Introduction Les réseaux corporels sans fil (Wireless Body Area Networks, WBAN) sont des systèmes de communica- tion de données au voisinage du corps humain, com- prenant par exemple des capteurs communicants, un nœud central et/ou un accès distant. Ce domaine de recherche est particulièrement actif depuis une dizaine d’années. Ils visent divers domaines d’appli- cation potentiels ou existants, notamment ceux de la santé, de la surveillance, du suivi à distance, des loisirs, de la défense, du multimédia, etc. [1], [2]. De nombreuses contributions ont été apportées, entre autres lors des travaux de standardisation de l’IEEE, notamment dans les groupes 802.15.4a (Ultra Large Bande, ULB) et 802.15.6 (BAN). Les bandes retenues par ce dernier se répartissent entre la HF, l’UHF, la bande ISM1 (2,45 GHz) et l’ULB (3,1 – 10,6 GHz). Parmi de nombreuses contraintes, celles de la taille et du « rapport de forme » des capteurs sans fil – et par conséquent des antennes – sont particulièrement importantes et souvent draconiennes. La technologie 1 Industriel Scientifique Médical. ULB constitue une alternative intéressante à la bande étroite en raison notamment de sa meilleure robus- tesse aux évanouissements sélectifs et aux interfé- rences multi-utilisateurs et de la faible consommation énergétique des systèmes. On peut ajouter qu’elle induit une très faible exposition des utilisateurs aux émissions radioélectriques en raison des très faibles puissances rayonnées. Le développement des systèmes RFID2 ULB pas- sifs ou semi-passifs est assez récent [3]. Ils offrent entre autres la possibilité d’adjoindre à la fonction- nalité d’identification celle de localisation (voire de poursuite), grâce à l’amélioration de la résolu- tion spatiale résultant de l’utilisation d’impulsions courtes. Nous nous intéresserons plus particulièrement dans cet article à la modélisation et à la conception des antennes dans ces deux contextes, dont certaines problématiques sont communes. La première partie sera consacrée à la question dite des antennes « envi- ronnées », en insistant sur les approches statistiques. La deuxième partie sera plus spécifiquement dédiée à l’étude des antennes et du canal de propagation, très particulier dans le cas des BAN. La dernière partie aborde la conception d’antennes pour les BAN et les RFID, en insistant sur leurs spécificités. 2 Radio Frequency Identification. Antennes ULB pour les réseaux et les applications RFID Wireless body area networks (WBANs) are communication systems intended for applications in various domains such as health, monitoring, sport, entertainment, multimedia, wearable computing and so forth. The properties of the WBAN channel, which includes antennas, are very specific. In the BAN context, the ultrawideband (UWB) technology is an interesting alter- native to narrowband solutions thanks notably to its low power consumption and improved resilience to selective fading and multiuser interferences. This article deals with the performance assessment of UWB antennas which are intimately related to those of the BAN channel. The antenna statistical modeling approach is presented and an example is given, and some design guidelines are drawn. It is also shown that UWB antennas for BAN and for RFID tags present common features and problema- tics. In particular, the “environned antennas” issue is considered. A focus on the antenna resilience to proximity effects, based on desensitization techniques, is notably proposed ABSTRACT 92 REE N°5/2013 L’ULTRA LARGE BANDE IMPULSIONNELLE La question des « antennes environnées » Antennes ULB pour les BAN et les RFID La conception des antennes ULB présente, en soit, un cer- tain nombre de difficultés [4]. Outre les contraintes habituel- lement rencontrées dans celle des antennes à bande étroite à modérée (adaptation, caractéristiques directionnelles, rendement, polarisation et encombrement notamment), les antennes ULB doivent répondre à divers critères de per- formance dans le domaine temporel en particulier en radio impulsionnelle3 . Ces antennes apparaissent en effet comme des systèmes linéaires invariants multidimensionnels (pour chaque direction d’observation) susceptibles d’introduire des distorsions du signal, de phase notamment (« dispersion »). La question se complique encore lorsqu’il s’agit de conce- voir des antennes actives ou semi-actives (commandées, reconfigurables, voire « adaptatives »), ou encore des réseaux pour lesquels les principes interférométriques classiques ne s’appliquent pas ou assez mal. L’étude de ces derniers sort cependant largement du cadre de cet article. Nous n’abor- derons pas non plus le cas de la « polarisation circulaire », sujet quelque peu polémique, qui n’existe pas à proprement parler en ULB. Nous nous concentrerons en revanche sur les antennes de terminaux pour les communications radio et sur les étiquettes RFID. Pour certaines de ces applications, selon le type de modulation utilisé, les contraintes tempo- relles peuvent être partiellement relâchées [5]. En revanche, la contrainte d’encombrement est toujours impérative, voire sévère pour certains dispositifs tels que les clés USB sans fil [6] ou divers systèmes de capteurs pour les BANs. Dans les systèmes considérés ici, le comportement des antennes est toujours affecté par l’environnement immédiat. Les étiquettes RFID sont, par nature, toujours placées sur des objets support qui peuvent être extrêmement diffusifs (objets métalliques par exemple). Les BANs sont quant à eux concernés au premier chef, en particulier dans les scé- narios dits «on-on» pour lesquels toutes les antennes sont sur le corps ou à proximité (typiquement jusqu’à quelques cm). Constitué en grande partie d’eau et de sels minéraux, le corps humain est, en effet, un puissant diffuseur électroma- gnétique : les tissus présentent des propriétés électriques à la fois conductrices et fortement diélectriques – typiquement, une conductivité de 2 S/m et une permittivité relative de 5 à 80 en bande centimétrique. Aux contraintes et difficultés précédentes s’ajoute donc celle de la résilience des antennes 3 La radio impulsionnelle est une sous-catégorie de la radio ULB utilisant des impulsions courtes (typiquement de quelques nanosecondes), c’est-à-dire un spectre ULB instantané, contrairement aux techniques dites « multi-bandes » telles que la modulation MB-OFDM. aux effets de proximité du corps humain. Lorsque cet objec- tif de résilience est difficilement réalisable – le plus souvent parce que les contraintes d’encombrement sont sévères – la modélisation statistique de ces effets peut constituer une approche fructueuse, alternative ou complémentaire. Évolution vers les approches statistiques L’influence de l’utilisateur a été largement étudiée dans le cadre des communications cellulaires, grâce notamment à l’introduction d’indicateurs de performance statistiques tels que le MEG (Mean Effective Gain) [7], le TRPG (Total Radiated Power Gain) et le SFMG (Scattered Field Measu- rement-Gain). Le TRPG rend compte des effets d’absorption et de masquage de l’utilisateur et le MEG introduit en outre les caractéristiques directionnelles et polarimétriques du canal de propagation (le plus souvent à partir d’un modèle statistique). Enfin, le SFMG permet plus spécifiquement de remonter aux pertes dues à l’absorption de l’énergie RF dans le corps humain. L’aspect statistique n’est toutefois pas in- contournable dans ces approches, ces indicateurs pouvant être obtenus à partir de mesures spécifiques, voire d’outils de simulation déterministes. Des approches plus récentes reposent sur des modélisations statistiques plus fines [8] qui s’appuient non seulement sur des descripteurs plus discri- minants de la variabilité de l’environnement immédiat, mais introduisent en outre le concept de typologie des antennes elles-mêmes (ou des « petits » terminaux) [9], [10]. Cette dernière question reste largement ouverte et difficile car non seulement les antennes et les terminaux sont par nature des objets déterministes (aux tolérances de fabrication près), mais ils évoluent assez rapidement selon les choix des équi- pementiers (et des laboratoires) – contrairement au canal « intrinsèque » qui dépend uniquement de l’environnement (intérieur, urbain, etc.) dont l’évolution est très lente voire inexistante – et surtout, il est particulièrement difficile d’accé- der à des échantillons statistiques d’antennes et terminaux suffisamment représentatifs, notamment pour les labora- toires académiques. L’objectif final étant d’élaborer des modèles de lien radio plus complets et plus fins rendant compte à la fois de la variabilité du canal de propagation et de celle des terminaux, la dernière étape consiste à associer les modèles correspon- dants. Cette phase d’hybridation constitue une approche plus élaborée, en quelque sorte une forme généralisée de celle ayant conduit à la définition du MEG et du TRPG, en ceci que la représentation de l’antenne (ou d’une classe d’antennes) n’est plus déterministe mais stochastique. Ce type d’approche a notamment été adopté dans [8], [11], [12], [13]. REE N°5/2013 93 Antennes ULB pour les réseaux corporels sans fil et les applications RFID Une proximité avec l’optimisation La modélisation statistique d’un problème « incertain » (figure 1) consiste généralement à évaluer de manière plus ou moins fine les propriétés statistiques d’observables (indi- cateurs de performance considérés comme grandeurs de sortie du modèle) à partir d’un ensemble de paramètres d’entrée du problème considérés comme des variables aléa- toires généralement appelé espace stochastique (d’entrée). L’aléa peut être dû à une connaissance plus ou moins incer- taine de paramètres a priori déterministes ou à leur nature profondément aléatoire. La connaissance statistique des paramètres (en entrée et en sortie) peut être plus ou moins fine selon les possibilités et les besoins, allant du plus simple (domaine de variations, premiers moments) au plus élaboré (moments d’ordres supérieurs, densité de probabilité, etc.). Les approches utilisant des fonctions de transfert, rela- tions entrées/sorties souvent également appelées surfaces de réponses, sont des méthodes paramétriques permettant notamment de réduire les nombre « d’expériences » (me- sures ou simulations). On peut notamment citer la méthode des polynômes de chaos. Ces techniques permettent d’ob- tenir des modèles d’abstraction statistiques infiniment plus légers à manipuler que les bases de données dont ils sont extraits. Par ailleurs, le krigeage est une méthode d’interpo- lation optimale au sens statistique garantissant une variance minimale. La technique du krigeage a également été récem- ment utilisée avec succès dans le domaine de la concep- tion d’antennes, par exemple dans [14] comme substitut aux méthodes plus classiques d’optimisation telles que les tech- niques évolutionnaires. Plus élaborées que, par exemple, la méthode classique de Monte Carlo, ces méthodes statistiques peuvent être mises à profit non seulement dans l’élaboration de modèles d’abstraction statistiques, mais également en conception d’antenne dans la phase d’optimisation. Un champ d’inves- tigation plus avancé encore est totalement ouvert : l’optimi- sation d’antenne en environnement incertain, cette fois-ci au sens statistique, nous semble être un sujet de recherche particulièrement intéressant qui reste, à notre connaissance, à défricher. La différence fondamentale avec les probléma- tiques précédentes est qu’ici ce sont les critères de perfor- mance qui sont de nature statistique et non uniquement les sources d’incertitudes. Ce type de performance pourrait être qualifié de résilience4 stochastique d’antenne. Contraintes et approches spécifiques aux BAN Spécificités de l’ULB par rapport à la bande étroite Les questions posées dans l’étude des antennes en bande centimétrique – typiquement au-delà du GHz – uti- lisées dans les réseaux corporels sans fil (on-on ou on-off5 ) sont de natures partiellement différentes en bande étroite et en ULB. Dans les deux cas, sauf conception spécifique, le fort couplage antenne/corps induit des pertes significatives dues à l’énergie absorbée dans les tissus au voisinage de la source. Le plus souvent, ces pertes dominent largement celles dues à la propagation par ondes rampantes le long du corps6 [15]. Lorsque la surface du corps intercepte la zone réactive, le couplage fort affecte significativement la répartition des den- sités de courant dans l’antenne. L’effet dominant en bande étroite est un décalage de la fréquence de résonance indui- sant une forte désadaptation (voir figure 2a). Ce phénomène peut conduire à un effondrement parfois insurmontable du 4 Ou robustesse. 5 Dans lesquels le « nœud central » (voire tous les nœuds attachés au sujet) communique avec un point d’accès distant. 6 Hors atténuation de propagation en distance. Figure 1 : Schéma fonctionnel de la relation entrées/sorties dans une modélisation statistique (CDF : Cumulative Distribution Function, fonction de répartition). 94 REE N°5/2013 L’ULTRA LARGE BANDE IMPULSIONNELLE rendement global entraînant une rupture de liaison. Afin d’y remédier, la méthode de désensibilisation la plus classique consiste à élargir la bande. C’est d’ailleurs la raison principale pour laquelle les an- tennes ULB sont par nature beaucoup plus robustes aux effets de proximité. A l’inverse du cas bande étroite, ceux- ci peuvent même entraîner une amélioration de l’adapta- tion, notamment lorsque l’antenne est extrêmement près du corps, en raison de deux effets combinés. Le premier est une réduction globale des pertes en retour due à l’énergie absor- bée par les tissus sur toute la bande. Ce phénomène bien connu et très général est d’ailleurs parfois employé comme technique d’amélioration de l’adaptation. Le second est un effet diélectrique : le corps humain agit comme un « substrat additionnel » de permittivité élevée réduisant les dimensions électriques de l’antenne, ce qui a pour effet de translater le coefficient de réflexion vers les basses fréquences. Ces deux translations combinées, « vers la gauche » et « vers le bas », conduisent donc également à une augmentation de la bande, outre l’amélioration globale de l’adaptation. Ces effets sont clairement dominants dans le cas d’une antenne directement en contact avec le torse ( =0, voir figure 2b, courbe pleine gris foncé, sujet 1 au niveau du torse). L’influence sur les den- sités de courant reste cependant complexe, de sorte que les effets « bénéfiques » précédents ne sont pas toujours totale- ment dominants par rapport aux variations de l’impédance d’entrée, notamment en haute fréquence. On peut ainsi ob- server des dégradations plus ou moins locales de l’adaptation, mais généralement modérées (voir figure 2b) [16]. On peut en tirer les premières conclusions suivantes : - diale. Comme on peut le constater sur la figure 2a, il est en réalité souhaitable d’inclure les effets de proximité dès la phase de conception. indicateur de performance discriminant – permettant de comparer différentes antennes entre elles – résulte directe- ment du bilan de liaison. Car finalement, comment mieux caractériser la qualité d’une antenne pour chaque type de scénario sinon en observant le lien radio ? L’étude des an- tennes sur le corps, notamment en ULB, est donc indisso- ciable de celle du canal de propagation. Exemple de modélisation statistique du compor- tement d’antennes ULB dans un scénario BAN Il a été montré que la distance n’est pas le facteur domi- nant dans l’atténuation du canal BAN on-on, mais le type de « scénario ». Ce concept englobe le type de lien radio (hanche/poitrine, hanche/poignet, etc.) – directement lié aux usages –, de posture, de mouvement (repos, marche, course) et d’environnement. Ce comportement inhabituel est dû aux nombreuses sources de variabilité du canal liées d’une part au scénario, d’autre part à la morphologie des sujets et au type d’antennes utilisées7 [16]. Toutes sources confondues, cette dispersion statistique de l’atténuation at- teint des valeurs très élevées, jusqu’à 40–45 dB, les contri- butions majeures provenant du type de lien, du mouvement et des antennes. Nous nous concentrerons sur l’analyse de ces dernières, objets de cet article. D’un couple d’antennes à l’autre, tout restant égal par ailleurs, des variations très impor- tantes de l’atténuation, jusqu’à 25 dB, ont été observées [2], [15], [16] : leur choix est donc crucial. A titre d’exemple, les résultats d’une modélisation sta- tistique et paramétrique du comportement des antennes pour un scénario hanche/poitrine (au repos, en chambre anéchoïde) sont présentés ci-après. L’analyse proposée dans [15] repose sur une campagne de mesures effectuée en chambre anéchoïde sur une bande très large (BWm = 1–12 GHz) avec deux sujets au repos et neuf couples d’antennes ULB issues de recherches anté- 7 https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/08/15-08-0780-09-0006-tg6- channel-model.pdf. Figure 2 : Effet de proximité du corps sur l’adaptation (a) désaccord en bande étroite, (b) effets complexes en ULB (d’après [16]). REE N°5/2013 95 Antennes ULB pour les réseaux corporels sans fil et les applications RFID rieures ou disponibles sur le marché. Afin de tenir compte de l’inhomogénéité locale des propriétés électriques du corps et de l’incertitude de positionnement des capteurs dans les usages applicatifs, un échantillonnage spatial autour de chaque « position de scénario » (hanche, poitrine, poi- gnet, etc.) a été pratiqué. A cet échantillonnage, considéré comme statistique, a été adjointe une étude paramétrique de l’influence de la distance au corps des antennes. Ces dernières (voir figure 3) ont fait l’objet d’une classification comportementale a posteriori, selon l’ordre de grandeur de l’atténuation de propagation (PL, Path Loss) qu’elles produi- saient pour chaque scénario. Cette classification de nature statistique (clustering) correspond d’ailleurs grossièrement à celle que l’on pouvait faire a priori, selon leur nature. Plu- sieurs classes d’antennes ont été ainsi identifiées selon leur comportement à proximité du corps humain, en se fondant notamment sur la direction de la polarisation principale rela- tivement à la surface du corps ; on distingue les antennes : type monopôle ou mono cône (polarisation normale) ; - brées, ni clairement référencées (tangentes) ; 8 , etc.), composants, souvent commerciaux, montés en surface sur des circuits RF (pola- risation tangente ou « quelconque ») ; (tangentes) ; - sation normale) ; Cette classification a priori est en réalité un plan d’expé- rience élémentaire destiné à collecter un échantillon sta- tistique de petite taille, mais déjà « représentatif ». C’est 8 Low Temperature Cofired Ceramic. pourquoi il est fondé sur des considérations physiques, dis- tinguant différents comportements électromagnétiques : sont sujettes aux « effets de câbles » dus au courant de mode commun, inexistants dans les dispositifs applicatifs. Ils peuvent être importants et doivent donc être minimisés lors des mesures. Ces antennes sont également particuliè- rement sensibles aux effets de l’environnement immédiat ; proximité et peu affectées par les effets de câble9 ; - sibles au mode commun, et très peu sensibles aux effets de proximité. C’est également vrai pour les autres techniques d’écrantage du champ. Ces considérations ont donc des conséquences métho- dologiques tant au niveau du protocole de mesure que de la modélisation. On reproduit, figure 4, pour chaque couple d’antennes le « gain » de propagation PG(d) pour le lien hanche/poitrine, intégré sur la 1ère sous-bande ULB (3,1 – 4,8 GHz), ainsi que les modèles de régression linéaire correspondants (PG0 ( ) = PG00 + ). Une classe d’antennes regroupe celles de type monopolaire (DFMS, DFMM, Skycross) et l’antenne puce de Taiyo Yuden. Les paramètres PG00 et du modèle sont four- nis dans le tableau I. On notera en particulier que l’antenne à polarisation nor- male, adaptée au mode de propagation favorable, surpasse toutes les autres de 5 à 25 dB typiquement, ce d’autant plus que les antennes sont près du corps. Elle présente toutefois l’inconvénient d’être une antenne protubérante, peu adaptée aux usages, bien que son « rapport de forme » soit bon et que son épaisseur (~10 mm) reste acceptable. Le comportement de deux antennes magnétiques à fentes, sans et avec plan réflecteur (« MSA » et « MSA-BP »), est également présenté 9 La sensibilité résiduelle peut provenir de dissymétries induites par l’environnement. Figure 3 : Les neuf antennes considérées, dont six prototypes de laboratoire (DFMS, DFMM, DFMM-DL, PBD, ALVA et Staircase Monopole), et trois commerciales (Skycross®, Tayo Yuden® et LPDA) (d’après [15]), ainsi que deux antennes à fente [17]. 96 REE N°5/2013 L’ULTRA LARGE BANDE IMPULSIONNELLE figure 4 en comparaison des antennes considérées dans [15]. L’introduction d’un réflecteur offre un comportement résilient proche de celui du monopôle normal. De plus, l’an- tenne étant planaire et moins épaisse (~4,5 mm), est plus facilement intégrable, bien qu’un peu moins performante (3 à 5 dB). C’est grâce à l’écrantage du champ que ces deux antennes présentent les meilleures performances, le coût étant l’encombrement. Les autres antennes étudiées sont en revanche sensible- ment plus fines (d’épaisseur typiquement inférieure à 2 mm). Comme souligné plus haut, à l’exclusion des deux antennes à écrantage, l’antenne équilibrée (« PBD ») présente les meil- leures performances (le cas de l’antenne log-périodique « LPDA », directive, doit être considéré à part, car il dépend fortement de son orientation, ici favorable). Comme expliqué précédemment, les antennes magnétiques sont mieux adap- tées au mode de propagation dominant. Ainsi, le couplage au corps de la MSA (et les pertes induites) reste significatif, mais elle demeure plus performante que les antennes de type monopolaire (d’environ 4 dB) pour les distances au corps inférieures à 10 mm, correspondant à la plupart des usages. A titre d’exemple, la dispersion autour de la moyenne PG0 est donnée par les statistiques empiriques du PG (intégré sur le 1re bande ULB 3,1 – 4,8 GHz) pour le dipôle planaire PBD (figure 5b) et les données agrégées de quatre antennes tan- gentes (quasi)-planaires (figure 5a) en fonction du paramètre . Des modèles normaux sont également représentés. Leur qualité parfois médiocre est due en partie à la petitesse de l’échantillon statistique. L’objectif principal justifiant ce choix reste cependant de donner les principales tendances à l’aide de modèles les plus simples possibles. La statistique agré- geant toutes les distances au corps est également fournie. Elle Figure 4 : PG0 ( ) et modèles linéaires pour chaque classe d’antennes pour le lien hanche/poitrine (intégré sur la bande 3,1 – 4,8 GHz). Tableau I. Figure 5 : Hanche/poitrine : statistiques empiriques (fonctions de répartition) et modèles normaux du PG (intégré sur 3,1 – 4,8 GHz) en fonction du paramètre , (a) pour les données agrégées de quatre antennes tangentes (quasi)-planaires et (b) pour le dipôle planaire tangent (PBD). REE N°5/2013 97 Antennes ULB pour les réseaux corporels sans fil et les applications RFID est particulièrement utile pour les cas où PG dépend peu de (l’antenne ALVA (développée au CEA-Leti), mais surtout le monopôle épais à polarisation normale au corps). Elle peut également être utilisée comme modèle simplifié (au prix d’une variance plus importante). Les premiers moments ainsi que les statistiques pour les autres antennes, d’autres scéna- rios et d’autres sous-bandes ULB sont fournis dans [15]. Nous renvoyons à [15] et à ses références pour plus de détails. Conception d’antennes pour les BAN et les RFID Il peut paraître surprenant d’aborder la conception d’an- tennes destinées aux BANs et aux étiquettes RFID dans un même paragraphe, voire dans un même article. Plusieurs spécificités sont pourtant communes en ULB : - brement réduit et l’influence de l’environnement proche ; - brées liées aux « effets de câble » dus au courant de mode commun, inexistants dans les dispositifs finaux intégrés ; compatible avec la couche physique de ces systèmes fonc- tionnant essentiellement en radio impulsionnelle, c’est-à- dire avec des signaux à spectre instantané très large ; en raison d’une part des effets de dépolarisation du canal et d’autre part de l’orientation plus ou moins aléatoire des dispositifs terminaux, capteurs, étiquettes, etc. Antennes ULB pour les BANs Toutes les couches de communication (PHY10 , MAC11 , réseau, etc.) ont été concernées par les recherches menées 10 Couche physique. 11 Medium Access Control : dans la couche « liaison de données », sous- couche de contrôle d’accès au support. depuis une dizaine d’années, mais dans le domaine de la pro- pagation, l’essentiel de l’effort a porté sur la caractérisation et la modélisation du canal, alors que peu de publications ont été consacrées à la conception d’antennes spécifique- ment dédiées. La plupart des mesures ont ainsi été réalisées avec des antennes commerciales ou développées antérieu- rement. Toutefois, les travaux sur le canal, ainsi que plusieurs publications théoriques, parfois antérieures voire beaucoup plus anciennes, ont permis de mieux comprendre les méca- nismes de propagation notamment le long du corps (pola- risation des modes dominants, ondes rampantes, etc.). Il est aujourd’hui possible d’en déduire un certain nombre de règles de conception d’antenne. On peut notamment citer : - lientes utilisées tangentiellement au corps, une part notable de l’atténuation du canal provient des pertes induites par le fort couplage antenne/corps (au voisinage de la source) ; effets de proximité ; - sation (du champ électrique) normale au corps ; - sentent le plus souvent de moins bonnes performances. En conclusion, il est souhaitable de privilégier les antennes à polarisation normale, donc « protubérantes », mais à faible rapport de forme pour des raisons pratiques (leur « épais- seur » ne devra pas excéder typiquement 10 mm). On peut citer par exemple l’antenne développée dans [18]. Cela ne permet cependant pas nécessairement d’éviter le fort cou- plage au corps et les pertes qui en résultent, si aucun plan de masse tangent (ou toute autre technique d’écrantage) n’est employé. Les techniques de désensibilisation abordées plus bas, notamment par écrantage du champ, ne sont donc pas à négliger, même si la miniaturisation reste la principale difficulté. Les antennes magnétiques planaires (positionnées tangentiellement) constituent également une alternative Figure 6 : Exemples d’antennes résilientes développées pour les applications WBAN, (a) MSA-BP (d’après [17]), (b) variante imprimée de l’antenne « COTAB » (proposée par H. G. Schantz en 2001) avec intégration d’un réflecteur arrière, développée pour la bande haute ULB 6 – 8.5 GHz (42 x 17 x 4.7 mm3 ) ; non publié. 98 REE N°5/2013 L’ULTRA LARGE BANDE IMPULSIONNELLE intéressante car elles sont mieux adaptées à l’excitation du mode dominant que les antennes électriques planaires. Pour ces dernières, on privilégiera les antennes peu sensibles au mode commun : les antennes équilibrées bien sûr (de type dipolaire), mais leur taille est en général supérieure à celle de leurs versions monopolaires, mais également les monopôles spécifiquement conçus en ce sens, telle que celle dévelop- pée dans l’équipe de Z. N. Chen (cf. [6] et sa réf. [6]). Il faut enfin mentionner le développement significatif des vêtements dits « intelligents », et dans ce cadre celui des an- tennes textiles. Plusieurs technologies sont déjà en dévelop- pement : tressage de fibres et de fils conducteurs, impression d’encres conductrices, etc. Outre les aspects technologiques, la variabilité des caractéristiques des antennes déformables est également un champ d’investigation ouvert, extrême- ment peu abordé jusqu’à présent. Antennes ULB pour les RFID Le développement des systèmes RFID ULB passifs ou semi-passifs, fondés sur de la modulation par rétrodiffusion, est relativement récent [3]. Très peu d’antennes ULB ont donc été spécifiquement conçues pour cette application, à l’exception notable de quelques antennes « hybrides » colo- calisées UHF/ULB. Les développements visent en effet, en tout cas à court terme, une compatibilité avec les systèmes UHF déjà existants, dont la technologie est plus mature. Cette hybridation permet également d’ « énergiser » le circuit ULB au moyen du signal UHF beaucoup plus puissant. Les dimen- sions des étiquettes obtenues, déterminées par celles des antennes, sont comparables à celles d’une carte de crédit (typiquement 80 x 50 mm2 ). La conception requiert une bonne isolation entre les éléments rayonnants et le contrôle de leur influence mutuelle, si possible en la minimisant. La conception de l’élément UHF reste cependant classique, fon- dée sur une adaptation conjuguée (l’impédance d’entrée de la puce UHF étant complexe). Que ce soit en UHF ou en ULB, l’omnidirectionnalité des antennes est généralement recherchée car l’orientation des étiquettes est indéterminée dans beaucoup d’applications. Cela est encore plus nécessaire lorsqu’on souhaite associer la fonctionnalité de localisation (Real-Time Location System RFID ou RTLS), fondée sur des techniques de triangulation impossibles à mettre en œuvre si l’étiquette n’est pas simul- tanément détectée par plusieurs lecteurs. La directivité ne favorise ainsi la détection (augmentant la couverture ou réduisant les contraintes de sensibilité) que pour certains systèmes particuliers dans lesquels la configuration géomé- trique est bien définie et contrôlée. Elle est dans tous les cas défavorable à la localisation. Ces considérations, valables pour les étiquettes isolées, doivent cependant être fortement nuancées lorsqu’on est amené à considérer l’influence de l’environnement immédiat, notamment des objets supports sur lesquels les étiquettes sont placées dans la grande majorité des cas. Lorsque les diffuseurs proches sont des objets diélectriques à faible per- mittivité, les conclusions précédentes restent globalement valides. S’il s’agit en revanche d’objets métalliques (ou à permittivité élevée), il a été montré que leur influence peut considérablement dégrader la détection, et par conséquent la couverture. Sauf à multiplier le nombre de lecteurs, la loca- lisation, plus impactée encore, peut se révéler impossible. La question de la résilience des antennes se pose donc ici aussi. Elle a été abordée dans quelques articles consa- crés à la conception d’antennes UHF robustes aux supports métalliques, mais essentiellement du point de vue de l’adap- tation. En ULB, comme nous venons de le voir, les difficultés proviennent principalement de la détérioration des caracté- ristiques directionnelles. Il s’agit donc probablement de trou- ver des compromis entre une directionnalité non contrôlée, imposée par l’environnement et une directionnalité maîtri- sée dès la conception. A notre connaissance, aucune étude de l’influence d’une directivité intrinsèque des étiquettes RFID ULB sur la portée (Read range) et la couverture, par exemple en fonction du nombre de lecteurs, n’a été publiée. Ce champ d’investigation reste donc ouvert. On ne peut probablement pas terminer ce paragraphe sans mentionner un thème de recherche très récent que nous appellerons systèmes RFID ultra-passifs, connus sous la terminologie anglophone Chipless RFID. Dans ces sys- tèmes, les étiquettes sont totalement passives, en ce sens qu’elles n’embarquent aucune électronique : elles ne néces- sitent aucun apport d’énergie, ni embarquée bien sûr (au- cune batterie), ni même externe (aucune « énergisation » par le lecteur). Le codage et l’identification des étiquettes reposent uniquement sur la signature électromagnétique du signal rétrodiffusé, lié à leur géométrie constituée d’un ensemble « codant » de motifs prédéfinis. Bien que les idées sous-jacentes – inspirées des principes d’identification de cibles radar – soient relativement anciennes, ce nouvel axe de recherche nous semble particulièrement intéressant, à la fois sur le plan scientifique (stratégie de codage, méthodes d’identification, etc.), et sur le plan des perspectives poten- tielles, notamment en termes de coût. Techniques de désensibilisation – résilience Il existe plusieurs techniques de désensibilisation des antennes aux effets de l’environnement proche. Pour les antennes à bande étroite, la plus connue et la plus simple en REE N°5/2013 99 Antennes ULB pour les réseaux corporels sans fil et les applications RFID général consiste à élargir la bande. Cette technique n’opère cependant que très partiellement dans le cas des BANs puisque, en dehors de l’adaptation, elle a très peu d’influence sur les effets directionnels et n’améliore pas le rendement global. C’est moins vrai pour les étiquettes RFID dont les objets support ou proches, lorsqu’ils sont essentiellement diélectriques, ne présentent pas de pertes aussi élevées. Le cas des supports métalliques nécessitent des approches spé- cifiques, abordées dans la suite. Une approche alternative (partiellement complémentaire) repose sur la concentration de l’énergie réactive dans un volume le plus faible possible. Une technique intéressante consiste à stocker cette énergie dans des éléments locali- sés, typiquement des capacités. Elle a été validée en bande étroite pour des antennes de très petite taille, conçues, no- tamment, en vue d’une intégration dans des implants com- municants. Cette technique semble toutefois difficilement applicable en ULB. Les autres approches sont fondées sur un écrantage du champ. La première fait appel à des matériaux composites à pertes ferrite/polymères habituellement utilisés à plus basse fréquence (HF/VHF). Cette technique a été utilisée avec succès dans la bande ISM à 2,45 GHz. Des feuillards rigides ou souples, collés sur la face antérieure des antennes, permettent de réduire significativement la désadaptation (detuning) due à l’effet de proximité (voir figure 7), tout en conservant une épaisseur réduite. Le mécanisme dominant est cependant davantage un effet de pertes qu’un effet ma- gnétique, la perméabilité des ferrites chutant beaucoup en centimétrique. Le gros avantage est que ces pertes, contrô- lées a priori, réduisent très efficacement la sensibilité à la proximité du corps ; elles sont de plus, en général, inférieures à celles qui résulteraient d’un contact direct avec celui-ci [16]. A notre connaissance, cette technique n’a pas été utilisée en ULB principalement pour deux raisons : d’une part elle introduit des pertes non négligeables, et d’autre part elle est uniquement destinée à empêcher un désaccord sérieux de la fréquence de résonance, ce qui n’est pas essentiel en ULB comme nous l’avons vu précédemment. Elle présente pour- tant le gros avantage de ne pas augmenter la taille de l’antenne, ni en surface, ni en épaisseur (ou quasiment, l’épaisseur de la couche de ferrite étant de l’ordre de 0,5 mm). L’écrantage du champ à l’aide d’un plan conducteur – que nous appellerons « réflecteur » – pose des difficultés d’intégration avec les antennes électriques planaires (mo- nopolaires ou dipolaires) puisqu’il a pour effet de les « court- circuiter » lorsqu’il est trop proche. On leur préfèrera donc des antennes magnétiques telles que les antennes à fente. Les publications sur le sujet sont relativement peu nom- breuses, les premières datant d’une dizaine d’années. Les antennes à fente étant par construction bidirectionnelles, leur objectif revendiqué a toujours été d’en augmenter la directivité en les rendant unidirectionnelles, y compris dans le cadre d’applications BAN/PAN (les scénarios BAN on-off étant alors plus spécifiquement concernés). Le recours à cette technique dans la conception d’antennes résilientes pour les BAN on-on ou pour les étiquettes RFID est plus ré- cente, l’antenne « MSA-BP » mentionnée plus haut en étant un exemple. Elle présente une bande d’adaptation à –10 dB de 3,6 à 5,7 GHz quasiment insensible à l’influence du corps pour une taille de 68 × 42 × 4,45 mm3 . Ces dimen- sions étant encore un peu élevées pour les applications BAN, des antennes plus petites (~ 70 × 25 mm2 ) mais plus épaisses (environ 10 mm) couvrant une bande plus large (3,1 – 6,7 GHz) ont été développées depuis pour des applications RFID et BAN. Il faut enfin souligner que l’utili- sation d’un plan réflecteur complique la miniaturisation des antennes, non seulement en augmentant significativement leur épaisseur (ce qui n’est pas rédhibitoire tant qu’elle reste compatible avec les contraintes applicatives, typiquement Figure 7 : CWPA (Coplanar Wire Patch Antenna) : (a) schéma, (b) désensibilisation de la fréquence de résonance avec une couche de ferrite (d’après [16]). 100 REE N°5/2013 L’ULTRA LARGE BANDE IMPULSIONNELLE en deçà de 10 mm), mais également leur surface : contenir, voire réduire, la surface à épaisseur donnée demeure en réalité l’aspect technique le plus délicat. Une dernière approche envisageable, bien qu’encore assez prospective, consisterait à écranter le champ à l’aide d’un mur magnétique artificiel. Les surfaces à haute impé- dance – ou conducteurs magnétiques artificiels (AMC) – sont des métamatériaux présentant un coefficient de réflexion en champ proche de +1. Ils peuvent donc être utilisés comme réflecteurs associés à des antennes élec- triques placées à très faible distance. L’application aux BANs ou aux RFID en ULB est cependant difficile pour au moins deux raisons : d’une part, l’encombrement des AMC est en général assez important, et d’autre part leur fonctionne- ment n’a été démontré jusqu’ici qu’en bande étroite à mo- dérée, ou en ULB mais en introduisant intentionnellement des pertes assez élevées. Le challenge est donc particuliè- rement ardu – si tant est qu’on puisse y arriver – d’ailleurs, à notre connaissance, aucune publication sur la question n’est parue jusqu’à présent. Conclusion Plusieurs aspects de la modélisation et de la concep- tion des antennes ULB pour les BANs et les RFID ont été présentés. Dans les scénarios BAN, on peut observer des variations de l’atténuation du canal extrêmement élevées d’une antenne à l’autre (de 20 dB et plus), toutes choses égales par ailleurs. Les modèles d’abstraction statistiques et paramétriques sont destinés à l’évaluation de perfor- mance des systèmes au niveau des couches physique, MAC et réseau. La conception d’antennes résilientes par diffé- rentes techniques de désensibilisation permet de réduire très significativement les variances. De plus, lorsqu’elle est fondée sur une méthode d’écrantage du champ peu dissi- pative, elle permet de réduire notablement les pertes par couplage dans la région de la source et d’améliorer ainsi très nettement le bilan de liaison. Cependant, le prix à payer est généralement une augmentation non négligeable de l’en- combrement. On devra donc choisir dans la conception des systèmes entre ces différentes stratégies, et faire des com- promis selon les besoins notamment en encombrement, bilan de liaison, sensibilité des récepteurs et contraintes réglementaires. Dans le cas des BANs, lorsque les effets de masquage sont trop sévères au regard des contraintes sys- tème précédentes, ou quand on souhaite réduire notable- ment les occurrences de rupture de liaison, des méthodes d’accès et réseau fondées sur des techniques multi-sauts ou coopératives, constituent une alternative très intéres- sante (cf. par ex. [19]). Remerciements L’auteur tient à remercier Yunfei Wei pour la conception et la mesure in situ des antennes « MSA » et « MSA-BP » [17], ainsi que Raffaele D’Errico et Laurent Ouvry (CEA Leti) pour le prêt des antennes ALVA. Références [1] B. Zhen, “Technical Requirements Document (TRD)“, IEEE 802.15 Task Group 6 Document, Sept. 2008. [2] P. S. Hall, Y. Hao, “Antennas and Propagation for Body- Centric Wireless Communications”, Artech House, 2006. [3] D.Dardari,R.D’Errico,C.Roblin,A.Sibille&M.Z.Win,“Ultrawide Bandwidth RFID: The Next Generation?“, Proceedings of the IEEE, vol. 98, n° 9, pp. 1570-1582, Sept. 2010. [4] X. 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